5 курс / ОЗИЗО Общественное здоровье и здравоохранение / Бионика Жерарден Л

\\\ \'\\<\\~,, \,'.

,,, '

"

д

Рис. 43. Радар обнаруживает caMO.~eT.

А - ИЗJlУ'lатель; Б - дуплексер; В - приемник; Г - антенна; Д - экран lIа6.11О­

деllИЯ; Е - обнаруженныil самолет; Ж - lIоследовате.пьно отраЖСIНlые

от самоо,ета сигналы.

сигнал высокой частоты, порядка нескольких l\1ИЛЛllар­

дов колебаН}1ii в секунду. Этот сигнал представляет

собой очень короткий импульс длительностью от не­

скольких десятимиллйонных до миллионных долей секунды. Мощность этого сигнала достигает ТЫСЯ'I

ки:ловатт, но из-за его кратковременности расход энер­

гии сравнительно невеЛIIК Jj не превышает МОЩНОСТII,

которую может дать двигатель автомашины. Импуль-

- сы передаются в пространство в виде электромагнит­

ных волн, излучаемых антенной (Г), которая пред­

ставляет собой большое металлическое зеркало,

действующее по принципу прожектора. Эти волны

распространяются в простганстве IJ при встрече с ые­

талличеСЮIМ препятствиеМ,..наПРИl\lер с CaMO,fJeTOM (Е),

140

!!Е'!<оторая часть этих ВОЛН отраж:ается от него но всех

напраплениях, 13 том числе и 13 направлеНИII излучаю­

щеii антенны. Понятно, что антенна получает сигнал меньшей МОЩНОСТИ, так как происходят огромные по­

тери энергии на преодоление ПУТII туда II обратно.

Поэтому сигнал усиливают; роль усилителя играет

приемное устройство (В).

Скорость распространен!!я Эо'lеКТРОl\lагнитных волн

велика - 300 тысяч километров в секунду. Но как бы

I3елика НИ была эта скорость, ее псегда МОЖНО изме­

рить. 100 километров (туда и обратно) сигнал прохо­

дит. за 667 1\!И,lЛИОННЫХ долей секунды. Возвращенный

сигнал, таким образом, четко отделен от излученного;

этот возвращенный сигнал и называют эхо-сигналом­

Если измерить с точностью до миллионной доли се­

кунды время от излучения сигнала до приема эхо­

сигнала, МОЖНО узнать приблизителыю (до 150 мет­

ров) расстояние до объекта, от которого сигнал отра­ зился. Очень простая визуальная система (д).

аналогичная приемной трубке телевизора, позволяет

[10 ВИДИМОl\lУ ПОЛOLI,ению эхо-сигнала на экране опре­

делить расстояние до соответствующего самолета.

Антенна постоянно вращается, захватывая все окру­

жающее пространство, и по эхо-сигналу на каЖДО:\1

обороте можно проследить курс самолета (Ж). Спе­

циальное устройство (Б), называеl\lое ДУШIексером,

позволяет присоединить антенну то I( излучателю, ко­

гда он посылает сигнал, то к приемнику.

Радары появились незадолго до второй мировой

войны и были значите,']ьно усовершенствованы в годы

войны. Но идея обнаружения препятствий по серии

отраженных Сlfгналов родил ась гораздо раньше.

В 1912 году аIIГличанин л. Ричардсон предложил

использовать для этой цели звуковые волны. Анало­

гичные ид~.и высказаны в патенте, взятом 13 январе

1913 года американцем Р. Фессенденом. К этим при­ Mepa~I приыенения бионики до ее рождения можно

присовокупить еще и высказывание сэра Хайрама СТИ­

венса Максима (изобретателя пулеJ\lета «Максим»)

В «Сайентифик АlIIерикэн» 7 сентября 1912 года. По

его мнению, летучие мыши избегают препятствий, используя эхо; 011 добавил, что на этой основе можно сконструировать прибор flо']Я обнаружения айсбергоп.

14t

В то время были еще свежи воспоминания о трагиче­ ской гибели «Титаника» и лучшие умы старались наЙ· ти средства для предотвращения подобных катастроф.

МЕХАНИЗМ ЭХО·ЛОКАЦИИ У ЛЕТУЧИХ МЫШЕИ

История открытия природного радара летучей С.lЫши стоит того, чтобы о ней рассказать. Первые на­

учные исследования этого вопроса относятся к эпохе

Великой французской революции. В 1793 году аббат Ладзаро Спалланцани, ПР0фессор биологии универ­

ситета в Падуе, заинтересовался способно_стью лету­

чих мышей уверенно летать в темноте. За год наблю­ дений он пришел к выводу, что эти животные обла­

дают доселе неизвестным людям чувством. Как было

принято в те времена, он написал об этом нескольким

крупным ученым, чтобы обсудить с ними свои выво­ ды. Его идеи встретили поддержку С. Журена, члена Общества натуралистов в Женеве, который продолжил

исследования Спалланцани и обнаружил, что полет

летучей мыши связан со слухом: если залепить ей

уши воском, она начинает натыкаться на препятствия.

Спалланцани усовершенствовал методику этих опытов

иповторил их. До своей смерти, которая последовала

в1799 году, он успел убедиться в том, что летучие

мыши ориентируются в темноте при помощи слуха.

По его мнению, они издают в полете какой-то звук,

который отражается от близких препятствий и позво­ ляет летучей мыши вовремя избежать столкновения.

Но одно оставалось загадкой: летучие мыши ле­ тают совершенно бесшумно; вряд ли они кричат в полете, потому что людям эти воображаемые крики

не слышны. Так ученые столкнулись с чем-то сверхъ­

естественным. Именно по этой причине Кювье, про­ фессор Музея естественной истории в Париже, кате­

горически отверг все выводы Х<':урена и Спалланцани.

Он полагал, что выключение слуха у летучих мышей просто нарушает их нормальное поведение. Главную

роль, по его мнению, играет не слух, а осязание.

Кювье немилосердно издевался над предположением,

что можно «видеть ушами». Он даже отказался про­ водить какие-либо эксперименты. И его авторитет был

настолько велик, что более ста лет наука топтал ась

142

на месте, прежде чсы появились звуковые радары,

или, как их сейчас называют, сонары. Эта интеллек­ туальная инертчость Кюпье поначалу вызывает воз­

мущение, жслаlше обвинить его в противодей­

стпии прогрессу. Но ведь этот человек не был невеж­

дой. И у него были пеские причины для недоверия: не

мог же он поверить в существопание звуков, которых

никто не слышал. Тогда еще не знали, что быпают

не слышные че!IOвеку звуки - слишком высокие или

слишком низкие для челопеческого слуха. Когда сэр Хайрам Стивенс Максим снова заговорил об эхо­

сигналах летучих мышей, он думал, что это очень низ­

кие звуки, производимые взмахами крыльеп. В дей­

стпительности звуки, издаваемые летучими мышами,

оказались не слишком низкими, а слишком высокими:

это не инфразпук, а ультразвук.

Первым эту идею высказал в 1920 году английский

ученый Г. Хартридж; сам он был нейрофизиологом, но ему были известны и работы, пропеденные по премя

пер пой мировой войны французским физиком П. Лан­

жевеном. Ланжевен получил патент в 1916 году на

изготовление прибора для дистанционного обнаруже­ ния подводных объектоп при помощи сконструирован­ ных им генераторов ультразвука. Но только в 1938 го­ ду Гриффин экспериментально доказал, что летучие мыши издают ультразвук. Он использовал в своих опытах созданную Г. Пирсом специаJ1ЬНУЮ аппаратуру.

Мы так подробно излагаем всю историю ОТКРЫТIIЯ

эхо-локации у летучих мышей потому, что она ЯС)­

ляется хорошим доказательством творческих возмож­

ностей бионики.

Хартриджу пришлось заняться акустикой и физио­ логией слух.а, изучить работы по эхо-локации подвод­

ных лодок, чтобы дать рациональное объяснение это­

му явлению. Предложенная им модель была неверна,

но она все-таки принесла пользу, так как привела к

экспериментам Гриффина. Чтобы эти эксперименты

удались, понадобилось сотрудничество зоолога, зна­

тока летучих мышей, и физика, который сконструиро­

вал подходящий МИI(рофон и усилители. Сотрудниче­ ство представителей разных наук сыграло решаю'Щую

роль на второй стадии рткрытия природного радара летучих мышей. Нужно продолжать и развивать

J43

плодотворное сотрудничество в этой области. Во всех

. странах над проблемами радара и'его акустического

аналога, сонара, работает такое множество инжене­ ров, что было бы очень неплохо, если бы часть

своего времени они посвятили изучению новых живых

моделей; не исключено, что это приведет к новым ИН­

тересным открытиям.

До сих пор мы говорили только о летучих мышах,

но эхо-сигна.1Ы для ориентации или поисков добычи

Рис. 44. В специальном помещС'нии изучается способность ле­ тучей мыши избегать препятствиЙ.

А - пункт выпуска; В - отражающий экран: В - ряд планок; r - 30lla сво­

бодного полета.

используют 11 другие животные. С некоторыми из них

мы еще встретимся, но и это будет далеко не исчер­

пывающий список. Несомненно, обладателей природ­ ных радаров немало. Просто о существовании их ни­

кто не знает, и только поэтому они еще не изучены.

Но уже сейчас многочи'сленные экспериментальные данные дают бионику очень ценные материалы для

совершенствования искусственных радаров и систем

обнаружения. И, как всегда, прежде чем копировать

при родные модели, их нужно изучить. Сотрудничество

представителей разных наук должно привести к но­ вым достижениям в области изучения природных ме­

ханизмов ЭХО-.rIокаЦШI.

144

Но пока что летучая мышь изучена лучше ДРУГИХ

животных, поэтому ПРОДОЛЖИМ разговор о ней. Самые

интересные эксперименты касаются способности ле­

тучих мышей избегать препятствиЙ. Один из типичных

опытов показан на рис. 44. Летучей ыыши предстоит

поймать добычу в зоне Г, где достаточно ыеста для полета. Ее выпускают в точке А, и, прежде чем по­ пасть в зону Г, она должна обогнуть отражающий экран Б и про.'1ететь между планками В. Обычно для летучей ~IЫШИ это не представляет трудностей. Один

итот же «радар» позволяет летучей ыыши не только

избегать крупных препятствий, в TOl\l числе планок, \10

иловко хватать меJIКИХ насекомых. ПРИРОд!lЫЙ радар

дает достаточно подробную инфор:\!ацию, которая

позволяет различать ЭХО от неподвижных прешlТСТВИЙ

и ЭХО ОТ движущихся объектов (при этоы надо заме­

тить, что и те и другие перемещаются по отношению

к летучей мыши, находящейся в ПОСТОЯННОill движе­

нии). Это, без сомнения, очень интересно для инжене­ ра, изучающего радары: почти невозможно обнару­ жить самолет, летящий близко к земле, потому что

сигналы, отраженные самолетом н поверхностью зе~l­

ли, практически неотличимы. ПРИХОДИТСЯ прибегать к сложным приема м, чтобы разделить эхо самолета­

движущегося объекта - и сигналы, отраженные не­

подвижной землей. Вполне естественно, что бионику

захочется узнать, не принесет ли изучение летучих

мышей какие-нибудь новые способы решения этой

сложной задачи.

Еще один интересный факт: летучие мыши обычно

живут в пещерах и, вылетая из них, пользуются своим

природным радаром. Значит, масса летучих мышей

одновременно издает крики, но эти крики, по-видимо­

му, не заглушают друг друга. Лабораторные экспери­

менты с отдельными летучими мышами показали, что

ультразвуковой шум значительной сш]ь! почти не

влияет на их поведение. Но ведь проблеi\!а устране­ ния паразитных сигналов всегда была очень острой и на ее разрешение при постройке радаров все еще ухо­

дит много времени и средств. При использовании рз­

даров для военных целей противник часто ст~рается

нарушить работу чужих установок, напраВJIЯЯ на их

антенны излучения паразитных сигналов; в этом

145

случае говорят, что противник «глушит» радар. При­

думали даже термин «электронная война», который

определяет всю эту сложную систему нападения при

помощи шумовых сигналов и способов защиты - экра­

нирования принимающих устройств радара. Возмож­

но, бионика еще скажет свое слово в этой области.

Научиться глубоко понимать принципы действия

природного радара летучих мышей было бы действи­

тельно очень интересно. Кстати, как бы занимательны

ни были эксперименты по «преодолениюпрепятствий»,

они не дают удовлетворительных результатов. Лету­

чая мышь летает со скоростью несколько метров в се·

кунду и при такой скорости почти мгновенно меняет

направление полета. Если она обогнула препятствие,

это еще не дает никаких сведений о том, на каком расстоянии она его заметила. Лучше всего было бы

создать в лаборатории условия, как можно более

близкие к естественным условиям охоты. А это гораз­

до легче задумать, чем осуществить. Не следует забы­

вать, что видов летучих мышей очень много и что

сигналы ночницы (зоологи назвали ее Myotis lucifugus) сильно отличаются от сигналов подковоноса

(Rhinolophus). Так что результаты, полученные в опы­

тах с одним видом, еще не дают основания для обоб­ щений.

Несколько лет назад Д. Гриффин, Ф. Вебстер и

С. Майкл провели эксперименты, которые можно на­

звать практически безукоризненными. При помощи

фотокамер они фиксировали с двух заданных точек

в каждый данный момент времени положение летучей

мыши и преследуемого ею насекомого. Таким образом,

для каждого объекта - летучей мыши и ее жертвы­

получали два пересекающихся направления визирова­

ния. Как показано на рис. 45, эти два направления

пересекаются в точках, которые отвечают положению

летучей мыши (Б) и насекомого (А) в определенный

момент. Проведя сложный геометрический анализ,

можно установить точные координаты летучей мыши

и ее жертвы и последовательные изменения разделяю­

щей их дистанции. Одновременно регистрируются из­

даваемые летучей мышью крики. Конечно, успех опы­

та зависит от выбора животных, потому что не все

животные одинаково хорошо привыкают к охоте в

146

Рис. 45. Локализация полета летучей мыши (Б) и ее жертвы (А)

с помошыо двух фотокамер.

замкнутом пространстве. Гриффин, например, брал

для опытов один из видов ночниц, Myotis lucifugus,

маленькую коричневую мышь из семейства гладконо­

сых летучих мышей, широко распространенную в Аме­ рике, и близкий к ней вид Eptesicus fuscus из того же

семейства. Что же он наблюдал?

В обычном полете ночница испускает в среднем

десять сигна,)IOВ в секунду. Продолжительность этих

сигналов очень мала: примерно три тысячных доли

секунды. Они отдаленно напоминают звуки, которые

издает человек, прищелкивая языком, поэтому спе­

циалисты назвали их «щелчками». За три тысячные

секунды звук успевает пройти (туда и обратно) около 50 сантиметров. По странному совпадению примерно

как раз на расстоянии 50 сантиметров от насекомого поведение летучей мыши меняется: частота сигналов

резко возрастает и животное, меняя направление по­

лета, бросается прямо на свою жертву. В тот момент,

когда летучая мышь настигает добычу, она испускает

серию коротких сигналов - длительностью около ты·

сячной доли секунды и частотой от 100 до 200 сигна­ ,)1ОВ в секунду. Звукозапись поведения летучей мыши (рис. 46) показывает, что все это происходит менее

147

чем в ПШ1сеI<УНДЫ. Оказалось, что в эксперимента", Гриффина летучая мышь ловила двух насекомых в секунду одно за другим. Д. Каландер (Массачусетский

технологический институт) тоже провел детальное

исследование сигналов, издаваемых летучей мышью на разных фазах полета: начальная фаза - поиск до­ бычи, промежуточная - обнаружение и последняя

фаза - преследщзание и поимка. Он доказал, что ча~

стота ультразвуковых сигналов сильно варьирует от

начала до конца сеРИII. Надо отметить, что частота

во время преследования насекомого.

t - ~~ОЫЯ в десятых долях секунды; А - добыча в поле «зреНIIЯ»; Б - добыча

С~illченз: [- расстояние, на КОТОРo;\{ ПРОIIСХОДИЛО преС.1'н~доваl111е (около

50 сантиметров).

эти;,< сигналов очень незначительна по сравнению с теми, которые используют в радарных установках

аэропортов: сто тысяч и десять миллиардов в секунду.

Но и скорость распространения этих волн в воз­ духе неОДИIlакова: 340 метров в секунду - для звука и 300 000 километров в секунду - для электромагнит­

ных волн. Оказывается, что очень важная качествен­

ная характеристика - длина волны, измеряемая рас­

стояниеы, которое пройдено в воздухе во время одного колебания, - в обоих случаях почти одинакова:

3,4 ыиллиметра для природного радара и 30 милли­ мет ров для искусственного. Здесь летучая мышь даже

Нмеет некоторое преИl\lущество. Кроме того, у нее дли­

на волны варьирует в пределах одного сигнала от 3,4

до 7 миллиметров. Ни один созданный человеком ра­ дар не обладает этой особенностью, а вполне возмож~

148

р 11 с. 47. Летучая ~IЫШЬ ПРСС.lе,lУСТ СIJОЮ доGы'у,'

а - траектория полета летучей мыши: J. 2, 3 - nO~.le;J,OBaTe,,1bllbIe ПО~10же1l1fЯt

11!I П~. пз - последовательные наПР3ВЛ~IIJ1Я ПО.1ета, Ll, L2-угол между lIa...

правлением на цель и направлением полета; б - траектория преследуеМQI'О lIaCCKO~[OГO: 11, 2', 3' - последовательные ПОЛО)I\:СIШЯ насекомого в полете;

8 - точка, в которой летучая МЫШЬ настигла насекомое.

110, что именно здесь и таится причина удивите.'1ЬНОЙ эффективности радара ночницы. Во всяком случае, эта способность резко менять частоту сигнала - еще одна

загадка природы, разгадка которой может дать инте­

ресные результаты.

Радары, сделанные человекои, обычно измеряют расстояние до объе!{тов, от которых отразилось эхо. Легко предположить, что летучая мышь тоже в каж­ дый данный момент измер~ет расстояние до намечен­

ной жертвы при помощи своего природного радара.

Но для этого потребовался бы механизм, который поз­ волял бы издавать звуки с частотой в тысячные доли сеI<УНДЫ. В природе мы не знаеы примеров таких ча­ стот. Да и нужно ли летучей мыши определять, на ка­

](0:\1 расстоянии от нее находится жертпа? Это совер­

шенно ни к чему. Она использует принцип наводки

аптоматических орудий, l(aK это показюIO на рис. 47.

Если в каждый данный моыент ее полет направлен

149